霍金修正黑洞理論:或擁有柔軟毛髮

2021-02-22 宇宙解碼

    一項由霍金以及其劍橋大學同事馬爾科姆·佩裡(Malcolm Perry)、哈佛大學教授安德魯-斯特羅明格(AndrewStrominger)共同發布的研究指出,「黑洞信息悖論」存在錯誤,黑洞可能擁有「柔軟毛髮」,當黑洞蒸發時攜帶信息逃逸出來。雖然研究結果沒有完全解決「黑洞信息悖論」的問題,但指明了一種可能的研究方向。

宇宙黑洞

    根據愛因斯坦的廣義相對論,靜止的黑洞由三項可觀測的參數決定:質量、電荷和角動量。只要一個物體變成了一顆黑洞或者掉進了黑洞,除這三個物理量外的一切信息都會消失在黑洞的視界之中。物理學家約翰·惠勒(JohnWheeler)用「黑洞沒有毛髮」來形容這一理論。

    1975年,霍金研究了一個黑洞附近量子物質的行為,結果表明黑洞並不是真正的黑色,黑洞輻射粒子,就像一個熱的物體發出熱量一樣,被稱為「霍金輻射」。如果沒有物體持續掉入黑洞,通過這種「霍金輻射」的能量損失將導致黑洞質量減少並最終蒸發消失。這也引發了一個問題,存儲在黑洞中的信息去哪裡了呢?由於「霍金輻射」來自黑洞表面,霍金認為信息也將丟失。

霍金

    但是到了1990年代末,隨著物理學的發展,特別是弦理論的發展,很多研究人員認為,掉入黑洞中的信息會在黑洞消失時逃逸出來,但是他們並不清楚信息如何逃逸。那麼霍金最開始認為信息丟失的理論有什麼錯誤的地方?這項霍金等人的最新研究提供了可能的答案。

    研究指出,讓霍金得出「黑洞信息悖論」的兩個基本假設有問題。第一個是量子引力中的真空是獨一無二的,第二個是黑洞沒有「毛髮」。相反,他們認為黑洞所在的真空環境實際上不可能是完全真空的,而且黑洞中有「柔軟毛髮」——與低能量量子有關的「量子毛髮」。

宇宙黑洞

    這些低能量,甚至零能量的軟粒子堆積在黑洞邊緣,它能夠捕獲和儲存從落入黑洞的粒子裡獲得的信息。這意味著雖然落入黑洞的粒子可能消失,但它們的信息將繼續留存在視界邊緣的這些「量子毛髮」上。

    斯特羅明格在研究另一個問題時受到了啟發。他發現無窮多守恆律能管理引力子的散射。隨後,在與學生進行的一項研究中,他發現這一結果也適用於電磁場。目前,他與霍金和佩裡合作,將這一遠見用到了黑洞中。在用方程式計算完畢後,斯特羅明格和霍金等人發現,在加入軟粒子後,黑洞真空在能量不變的情況下,角動量會發生變化。

    但是斯特羅明格也指出,他們的最新論文並沒有解決「黑洞信息悖論」。首先,必須針對引力場重新進行分析,而不僅僅是電磁場。他們正在努力嘗試。初步計算表明,純粹的引力情況下也能得到相似的結果。更重要的是,他們提出的柔軟毛髮或許並不足以捕獲所有掉進黑洞的信息,也就無法解釋當黑洞消失時,所有信息是如何恢復的,因為並不清楚是否所有的信息都可以被傳輸到柔軟毛髮上。然而,可以肯定的是,通過這項研究的路徑,進一步的研究將揭開更多毛髮類型,可能最終將解決「黑洞信息悖論」。

    掉入黑洞中的信息會去哪裡?這一直是物理學界爭論不休的問題。霍金為此也付出了很多的精力去研究探索,希望,我們可以早日完全解開這個謎題。

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  • 霍金又對了!又一個公式誕生:能夠計算出黑洞視界上的霍金輻射!
    ,這使得物理學家可以確定:通過對愛因斯坦的引力理論(廣義相對論)進行量子修正,這種輻射將如何改變。因此,旨在消除這一悖論的另類引力理論變得更加流行,因為它們可以為量子引力理論做出貢獻。最有希望的方法之一是帶有伸縮子的愛因斯坦-伸縮子-高斯-波內特理論,它應用量子分量作為對廣義相對論的修正。
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